式中，F表示吸力；ε为介电常数；q1代表阳离子电荷量；q2代表负电胶体的电荷量；为
阳离子水化后的有效半径。
由此可知，阳离子的交换能力首先受离子电荷价的影响，离子的电荷价越高，受胶体电性吸持力愈大，因而具有比低价离子较高的交换能力。也可以说，胶体上吸着的阳离子的价数越低，越容易被交换出来，即越容易解吸。通常情况下，阳离子与胶体的结合强度和交换力具有以下顺序：
3+
2+
+
M>M>M（M表示阳离子）
(2) 离子的半径及水化程度 同价离子交换力和结合强度的大小，决定于离子的大小及重量。凡离子本身半径愈大，重量愈大的离子，其代换力和结合强度也愈大。离子半径大小与交换力的关系，可由水化作用来解释。离子半径越大，单位面积上所带的电荷（电荷密度）越小，因此，对水分子的吸引力小，即水化程度弱，离子水化半径越小，其与胶粒间距离也愈小，按库仑定律，它和胶粒间的吸引力就愈大，它代换其它离子的能力就愈强（表4-5）。
表4-5 离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系 离 子 Na NH4 K Mg Ca H
+2+2++++
代换力顺序
6 5 4 3 2 1
价 数
1 1 1 2 2 1
原 子 量 23.00 18.01 39.10 24.32 40.08 1.008
离子半径（nm） 未 水 化 0.093 0.143 0.133 0.078 0.106 —
水 化 0.790 0.532 0.537 1.330 1.000 —
此外，离子交换力也受离子运动速度的影响。凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是这样，而且氢离子水化很弱，通常H只带一个水分子，即以H3O的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具有特殊位置。
综上所述，阳离子交换力大小的顺序为：
3+
3+
+
2+
2+
2+
2+
+
+
+
++
Fe>Al>H>Sr>Ba>Ca>Mg>Rb>K>NH4>Na
+
我国红壤、砖红壤中测定的阳离子结合强度和代换力的顺序与上述顺序基本一致，其顺序为：
Al>Mn≥Ca>K
3+
2+
2+
+
提请注意的是，这种次序不是绝对不变的，它只是一般的情况。由于土壤中吸附剂（即各种胶体）的不同和浓度不同，都可导致离子交换能力序列的变化。所以严格地说，没有一个统一的序列能够适应任何一种土壤。
2．阳离子的相对浓度及交换生成物的性质 阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能力较大的其它阳离
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子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使交换作用继续进行。例如：
上式中Na的交换能力虽小于Ca，但溶液中有Na而且代换后生成难溶性的草酸钙，使溶液中Ca的浓度维持很低，故其交换作用可继续进行。又如：
在此，若不把交换过程中产生的Ca不断除去，则交换作用很快即达到平衡。但是，只要改变溶液中Na或Ca的浓度，平衡即可破坏。若增加溶液中Na的浓度，或将生成的Ca淋洗掉时，则其反应向右进行，如在土壤分析中，采用钠盐浸提土壤中阳离子，就是这个道理；若增加溶液中Ca的浓度，则反应向左进行。因此，利用这一规律，我们完全有可能控制土壤中阳离子交换作用的方向，定向地改造土壤，提高土壤肥力。
+2++
2+
2+
+2++2+
2+
3．胶体性质 阳离子交换作用还受胶体性质的影响，一般情况下，交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，结合一价离子的能力稍弱；反之，交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强，与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交换下来。又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与其孔径大小相当的K和NH4，这些离子一旦进入六角形孔穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层破裂时，被固定的K、NH4方可重新释放出来。
++
++
阳离子交换作用的这些特点和规律是非常重要的。它是施肥和改良土壤等措施的理论依据。例如施用化肥后，可溶性养分的保蓄，以及施用石灰改良酸性土，施用石膏改良盐碱土等措施，都是对这些原理的实际应用。
四、土壤盐基饱和度
+
3+
2+
2+
土壤胶体上吸附的阳离子可分为两类。一类是H和Al，另一类是盐基离子（如Ca、Mg、K、Na、NH4等，由于含Al的盐在水溶液中强烈水解，使溶液呈酸性，故Al不包括在盐基离子内）。土壤盐基饱和度是指土壤胶体上交换性盐基离子占交换性阳离子总量的百分率。以算式表示为：
+++3+3+
如果土壤胶体上的交换性阳离子绝大部分都是盐基离子，即为盐基饱和的土壤，否则就属盐基不饱和。我国南方酸性土壤都是盐基不饱和的土壤，北方中性或碱性土壤的盐基饱和度都在80%以上。盐基饱和度与pH值之间有明显的相关性。盐基淋失，饱和度降低，pH也按一定比例降低。在pH5~6的暖湿地区，pH每变动0.10，盐基饱和度相应变动5%左右。例如设pH为5.5
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时盐基饱和度为50%，那么在pH5.0和6.0时，盐基饱和度分别约为25%和75%。
不同类型的土壤，交换性阳离子的组成也不同。一般土壤中，交换性阳离子以Ca为主，Mg
+
+
2+
2+
+
+
+
+
3+
2+2+
次之，K、Na等很少。如江苏下蜀黄土上的黄棕壤的交换性阳离子，Ca占65~85%，Mg占15~30%，K和Na占2~4%。但在盐碱土中则有显著数量的Na，在酸性土中有较多的H和Al，在沼泽化或淹水状态下，还有Fe、Mn等。土壤盐基饱和度和交换性离子的有效性密切有关，盐基饱和度越大，养分有效性越高，因此盐基饱和度是土壤肥力的指标之一。
2+2+
五、交换性阳离子的活度及其影响因素
植物吸收养分是植物与土壤间进行离子交换吸收的过程。这种离子交换吸收的方式有两种：一种是根胶体上的离子与土壤溶液中的离子进行交换；另一种是根胶体与土壤胶体直接进行离子交换，不需要通过溶液作为媒介，这种吸收只有根毛与土壤胶体紧密接触的情况下发生，故又称接触交换。植物的交换吸收，在一般情况下都是通过土壤溶液，不可能在绝对干燥的情况下进行交换。因此土壤溶液中的离子和胶体上的交换性离子都与植物根系吸收密切有关。
但是土壤交换性离子和溶液中离子二者之总量，还不能确切反映植物根系的离子环境。因为胶体吸附的离子不可能全部解离出来。交换性离子活度是指实际能解离出来的交换性离子的数量。有试验表明，在粘土矿物的悬浊液中，交换性钙的含量是交换性钾的1.5倍，但钾离子活度却为钙离子的6.6倍。因此，用离子活度的概念来反映实际有效浓度，比一般的浓度概念更有意义。如一种交换性离子，在土壤胶体体系中的总浓度为c，当解离达到动态平衡时，解离出来的活性离子的数量以活度a表示，它与该离子总浓度c之比称为活度系数，以f表示，即：f = a / c 。
当胶体上交换性离子能全部解离时，则活率a近于浓度c，活度系数f达最大，近于1；如不能解离，则f达最小值，接近零。因此在一定的离子浓度下，交换性离子活度系数的大小，表明它在平衡体系中自由活动的难易程度，同时也表明它进入植物体内的难易程度，从而可作为养分有效度的指标。其影响因素有以下一些：
1．交换性离子的饱和度 胶体上某种阳离子占整个阳离子交换量的百分数，即该离子的饱和度。饱和度愈大，该离子的有效性愈大，因为离子与胶体的结合强度随其饱和度的增加而降低，其活度随饱和度的增加而增强。特别是Ca、Mg等二价离子活度随饱和度增加而增加的现象更为明显，它们的饱和度由50%增加到100%时，活度系数提高3~4倍。一价离子如Na、K、NH4
+
+
+
2+
2+
等随饱和度增加而增大活度系数的现象，不及二价离子明显。但在相同饱和度下，一价离子的活度，远远大于二价离子。也就是说，在相同饱和度下，一价离子的有效性大于二价离子。这是因为一价离子与胶体的结合强度小于二价离子。
如果某一离子的饱和度低到一定程度，植物不仅不能从胶体上吸取它，反而由植物根部解吸出来被土壤吸收时，此时该离子的饱和度，称为临界饱和度。据试验：燕麦和黑麦在蒙脱石类粘粒上交换性钾的最低饱和度为4%左右，在高岭石类粘粒上的最低饱和度为2%左右。
在生产实践上，一些有效的施肥措施，其原因之一就是提高了离子的饱和度，增加了离子的有效性。例如，农谚：“施肥一大片，不如一条线”，以及采用“穴施”、“条施”、“大窝施肥”等集中施肥的方法，都是增加离子饱和度，提高肥料的利用率。
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2．陪补离子的种类 土壤胶体一般同时吸附多种离子，对于其中某一离子来说，其他离子都是它的陪补离子。如胶体吸附了H、Ca、Mg、K等离子，对H来说，Ca、Mg、K是它的陪补离子；对Ca来说，H、Mg、K是它陪补离子。凡是与土壤胶体结合强度大的离子，其本身有效性低，但对共存的其他离子的有效性愈有利；反之，若某一离子与胶体结合强度较共存的其它离子弱，则将抑制其它离子的有效性。以K为例，如果它的陪补离子是Ca，而Ca的结合强度和代换为均大于K，则可促进K的有效性。如果K的陪补离子是Na，Na的结合强度和代换力小于K，则抑制了K的有效性。这种现象称为陪补离子效应。
2+
+
+
+2+2+++2+2++
2++2++
+2+2+
+++++
浙农大曾对Ca以三种不同的陪补离子，在胶体种类和数量相同（交换量相同）的土壤上试验。甲土以H作为Ca的陪补离子，乙土和丙土分别以Mg和Na作为Ca的陪补离子，三种土壤处理中Ca的饱和度相等，但甲土Ca的有效度远较乙、丙土为大，并影响到产量（表4—9）。
+2+2++2+
2+2+
表4—9 不同陪补离子对交换性钙有效性的影响（小麦盆栽试验） （据浙农大资料）
土壤处理
甲 乙 丙
交换性阳离子组成
40ê+60%H 40ê+60%Mg 40ê+60%Na
盆中幼苗干重（g）
2.80 2.79 2.34
盆中幼苗吸钙量（mg）
11.15 7.83 4.36
离子相互抑制的能力有下列顺序： Na>K>Mg>Ca>H和Al
+
+
2+
2+
+
3+
这一顺序与离子结合强度和交换力的大小正好相反。其中每一离子都强烈抑制它后面的离子对植物营养的有效性。特别是Na作为陪补离子并达到一定含量时，不但植物不能吸收Ca、Mg等离子，而且还会使幼苗中的Ca等为土壤所解吸。
2+
+2+2+
3．无机胶体的种类 一般来说，在饱和度相同的情况下，各营养离子在高岭石上的有效性大，蒙脱石次之，水云母最小。但个别情况也有例外（表4—10）。
表4—10 各类粘土矿物上阳离子的活度系数
粘 土 矿 物 高 岭 石 蒙 脱 石 水 云 母
阳 离 子 活 度 系 数
Na 0.34 0.21 0.10
+
K 0.33 0.25 0.13
+
NH4 0.25 0.18 0.12
+
H 0.008 0.059 0.036
+
Ca 0.080 0.022 0.040
2+
4．离子半径大小与晶格孔穴大小的关系 根据培济（Page）和巴维尔（Baver）等的“晶格孔穴理论”，粘土矿物表面存在由六个硅四面体联成的六角形孔穴，这些孔隙的半径为0.14nm，凡离子大小与此孔径相近的，即易进入晶孔，而降低其有效性。K+的半径为0.133nm，NH4+半径为0.143nm，它们的大小都近于晶格孔隙大小，容易固定于晶孔中，降低有效性。蒙脱石表面的硅四面体数量多，故这种晶孔固定作用含蒙脱石多的土壤多于含高岭石多的土壤。
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